(57)【要約】【課題】光通信波長帯での高効率かつ広帯域な偏光もつれ光子対生成が可能となり、擬似位相整合素子のデザインにより、広帯域な2光子偏光もつれ光子対生成や、3光子偏光もつれ光子対生成が可能であるデバイスの提供が本発明の課題である。【解決手段】周期分極反転のニオブ酸リチウム系の疑似位相整合光学結晶を用いた偏向もつれ光子対の生成デバイスにおいて、位相整合タイプとしてTypeI位相整合ooeの第一の光学結晶と、Type0位相整合eeeの第二の光学結晶とをカスケードに配置した構造を特徴とする２光子の偏向もつれ光子対の生成デバイスや位相整合タイプとしてType0：eeeの第三の光学結晶と同じく位相整合タイプとしてType0：eeeの第四の光学結晶とをカスケードに配置した構造を特徴とする３光子の偏向もつれ光子対の生成デバイスが得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期分極反転のニオブ酸リチウム系の疑似位相整合光学結晶を用いた偏向もつれ光子対の生成デバイスにおいて、励起光を異常光として入射する事で、TypeI位相整合：ooeからの出力が常光、Type0位相整合：eeeからの出力が異常光となり、２光子偏光もつれ光子対が生成するように、位相整合タイプとしてTypeI位相整合：ooeの第一の光学結晶と、Type0位相整合：eeeの第二の光学結晶とをカスケードに配置した構造を特徴とする２光子の偏向もつれ光子対の生成デバイス。
【請求項２】
前記第一の光学結晶と第二の光学結晶は、単一のニオブ酸リチウム系の疑似位相整合光学結晶に周期分極反転として構成した構造を特徴とする２光子の偏向もつれ光子対の生成デバイス。
【請求項３】
周期分極反転のニオブ酸リチウム系の疑似位相整合光学結晶を用いた偏向もつれ光子対の生成デバイスにおいて、パラメトリック波長変換および縮退点動作パラメトリック波長変換をカスケードで動作させる事で、3光子の偏向もつれ光子対を生成するように、位相整合タイプとしてType0：eeeの第三の光学結晶と同じく位相整合タイプとしてType0：eeeの第四の光学結晶とをカスケードに配置した構造を特徴とする３光子の偏向もつれ光子対の生成デバイス。
【請求項４】
前記第三の光学結晶と第四の光学結晶は、単一のニオブ酸リチウム系の疑似位相整合光学結晶に周期分極反転として構成した構造を特徴とする３光子の偏向もつれ光子対の生成デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信帯コンポーネントが利用可能な波長帯で偏光もつれ光子対の生成を行う、変換効率の高い擬似位相整合素子を使用した、高効率な偏光もつれ光子対の発生デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の2光子偏光もつれ光子対生成デバイスは、擬似位相整合を利用した光通信波長帯の偏光もつれ光子対生成デバイスとして、TypeII位相整合oeo, eooを利用したデバイスが報告されている。このデバイスに対し励起光を常光として入射する事で、出力光は常光および異常光となり、これは偏光もつれ光子対である。本デバイスは分極反転周期を7μmとする事で光通信波長帯での偏光もつれ光子対生成デバイスの実現が可能である。単一デバイスで偏光もつれ光子対を生成できることから、シンプルで信頼性の高いデバイスとなる事が期待される。従来の偏光もつれ光子対デバイスの構造と入射出射光を図７に示した。
【０００３】
しかし、従来のデバイスの動作線幅は約500 GHzであり、将来的に超短パルスでの励起では波長変換の効率が落ちるため、広帯域で動作するデバイスを実現する必要がある。また、分極反転周期が7μmと短周期である事が、作製上の歩留まりを低下させる一因となるため、より長周期の分極反転で動作するデバイスを実現する必要がある。
【０００４】
また、本発明の先行技術とては、BBO結晶を２つ用い、それぞれの位相整合条件を適切に調節する事で、偏光もつれ光子対を入射ポンプ光に対し＋３度および−３度の方向に取り出す提案がある。（特許文献１参照）この先行技術の実践例としてポンプ波長を351.1nmとし、生成される偏光もつれ光子対の波長は702.2nmである。この発明の方法では、入射ポンプ光に対して角度を持って偏光もつれ光子対が生成されることから、波長変換の際にウォークオフが生じるため変換効率が低下する。また、生成される偏光もつれ光子対の波長が702.2nmであることから、光ファイバーを使用した長距離伝送での損失が大きい問題がある。
【０００５】
また、別の先行技術とては、PPLNを用いた光通信波長帯での偏光もつれ光子対を生成する方法がある。（特許文献２参照）しかし、この方式は単一結晶で偏光もつれ光子対を直接出す方法ではなく、複数個の結晶を干渉計の中に配置することにより偏光もつれ光子対とする方法であるため、構成が複雑になる。
【０００６】
【特許文献１】特開2003-228091号公報
【特許文献２】特開2005-258232号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、光通信波長帯での高効率かつ広帯域な偏光もつれ光子対生成が可能となり、擬似位相整合素子のデザインにより、広帯域な2光子偏光もつれ光子対生成や、3光子偏光もつれ光子対生成が可能であるデバイスの提供が本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、周期分極反転のニオブ酸リチウム系の疑似位相整合光学結晶を用いた偏向もつれ光子対の生成デバイスにおいて、励起光を異常光として入射する事で、TypeI位相整合：ooeからの出力が常光、Type0位相整合：eeeからの出力が異常光となり、２光子偏光もつれ光子対が生成するように、位相整合タイプとしてTypeI位相整合：ooeの第一の光学結晶と、Type0位相整合：eeeの第二の光学結晶とをカスケードに配置した構造を特徴とする２光子の偏向もつれ光子対の生成デバイスが得られる。
【０００９】
また、本発明によれば、前記第一の光学結晶と第二の光学結晶は、単一のニオブ酸リチウム系の疑似位相整合光学結晶に周期分極反転として構成した構造を特徴とする２光子の偏向もつれ光子対の生成デバイスが得られる。
【００１０】
また、本発明によれば、周期分極反転のニオブ酸リチウム系の疑似位相整合光学結晶を用いた偏向もつれ光子対の生成デバイスにおいて、パラメトリック波長変換および縮退点動作パラメトリック波長変換をカスケードで動作させる事で、3光子の偏向もつれ光子対を生成するように、位相整合タイプとしてType 0：eee の第三の光学結晶と同じく位相整合タイプとしてType 0：eee の第四の光学結晶とをカスケードに配置した構造を特徴とする３光子の偏向もつれ光子対の生成デバイスが得られる。
【００１１】
また、本発明によれば、前記第三の光学結晶と第四の光学結晶は、単一のニオブ酸リチウム系の疑似位相整合光学結晶に周期分極反転として構成した構造を特徴とする３光子の偏向もつれ光子対の生成デバイスが得られる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、偏光もつれ光子対生成デバイスに擬似位相整合素子を使用することで、光通信波長帯での高効率かつ広帯域な偏光もつれ光子対生成が可能となる。擬似位相整合素子のデザインにより、広帯域な2光子偏光もつれ光子対生成や、3光子偏光もつれ光子対生成が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
１．2光子偏光もつれ光子対生成デバイスの構成例
本デバイスは常光発生部および異常光発生部の分極反転周期をそれぞれ25μmおよび19μmとする事で実現可能である。本デバイスの動作線幅は75 THzと広帯域であり、励起光源として100 fsecオーダーの短パルス光を使用する際にも、そのスペクトル領域全体に渡ってパラメトリック波長変換が可能である。同一ウェハ上に位相整合タイプとしてTypeI位相整合ooeとType0位相整合eee の2つの周期を書き込む事で単一デバイスとして作製した2光子偏光もつれ光子対生成デバイスを図１に示した。
【００１４】
複屈折性も考慮した擬似位相整合パラメトリックデバイスの設計および開発を行い、コリニア位相位相整合条件下で、従来よりも効率の良い偏光もつれ光子対の生成を行う。励起光源として光通信波長帯の第二高調波に相当する775 nmに着目し、デバイス設計の検討を行う。また、実際のPPLNデバイス作製を考慮して、分極反転周期が10μm程度もしくはそれ以上の値となる位相整合タイプを採用する。尚、ニオブ酸リチウム（LN）結晶の実効的非線形係数から波長変換が可能な位相整合タイプは、Type0位相整合であるeee、ooo、TypeI位相整合であるooe、TypeII位相整合であるoeo、eooの5種である。ここでeee等の表記法は、eは当該の光が異常光（extra-ordinary）、oは当該の光が常光（ordinary）であることを表しており、アイドラ光・シグナル光・ポンプ光の順番にパラメトリック過程に寄与する光の偏光を示している。例えばeeeは全ての偏光が異常光である事を示しており、ooeはアイドラ光およびシグナル光の偏光が常光かつポンプ光の偏光が異常光である事を示している。
【００１５】
擬似位相整合パラメトリック過程による波長変換は、エネルギー保存則である（１）式
ωp＝ωs＋ωi          （１）
および、運動量保存則である（２）式、
kp＝ks+ki+2π/Λ      （２）
とが同時に満たされる時に実現される。ここで、ωp、ωsおよびωiはそれぞれポンプ光、シグナル光およびアイドラ光の周波数、kp、ksおよびkiはそれぞれポンプ光、シグナル光およびアイドラ光の波数、Λは擬似位相整合結晶の分極反転周期であり、波数はkp=2πnp/λp、ks=2πns/λsおよびki=2πni/λiで表され、ここでnp、nsおよびniはそれぞれポンプ光、シグナル光およびアイドラ光に対する結晶の屈折率、λp、λsおよびλiはそれそれポンプ光、シグナル光およびアイドラ光の波長である。結晶の屈折率は波長および温度に対する関数であり、セルマイヤー方程式によって表されるため、動作温度とポンプ光の波長を決めれば（１）式と（２）式により位相整合が得られる分極反転周期Λとシグナル光およびアイドラ光の波長が決定される。偏光もつれ光子対はシグナル光とアイドラ光の波長が同じであるため ωs＝ωi＝ωp/2となり、かかる条件下での分極反転周期Λを求めれば、偏光もつれ光子対生成デバイスとして機能する。
【００１６】
動作温度を100℃とした時の励起波長に対する分極反転の周期を計算した結果を図３に示した。常光および異常光を同時に生成するためのデバイスとして、TypeII位相整合を用いたもの、および、Type0とTypeI位相整合デバイスをカスケードに使用するものが実現できる。ここでTypeII位相整合を用いたデバイスは従来の報告にあるものであり、分極反転周期がもっとも短くなることがわかる。一方、Type0とTypeIの位相整合に着目すると、Type0のeeeは異常光のポンプ光で励起して異常光のシグナル光とアイドラ光を生成し、TypeIのooeは異常光のポンプ光で励起して常光のシグナル光とアイドラ光を生成するものであり、この2過程をカスケードで用いれば、異常光のポンプ光から異常光と常光を得る事になり、これは偏光もつれ光子対となる。各過程を実現するための分極反転周期はいずれもTypeII位相整合よりも長く作製上容易である。
【００１７】
偏光もつれ光子対の波長を光通信波長帯の1.55μmとすると、ポンプ光の波長は775nmである。励起波長を775 nmとした時の動作温度に対する分極反転の周期を計算した結果を図４にしめした。TypeII位相整合を用いたデバイスは分極反転周期が10μm以下であるのに対し、Type0のeeeとTypeIのooeの位相整合を用いたデバイスは分極反転周期がいずれも15μm以上となる。
【００１８】
すなわち、第一の光学結晶にType0のeee、第二の光学結晶にTypeIのooeを用いる、もしくは、第一の光学結晶にTypeIのooe、第二の光学結晶にType0のeeeを用いることで広帯域偏光もつれ光子対デバイスが実現できる。動作温度を100℃とすると、第一の光学結晶の分極反転周期を19μm、第二の光学結晶の分極反転周期を25μm、もしくは、第一の光学結晶の分極反転周期を25μm、第二の光学結晶の分極反転周期を19μmとすればよい。また、実現の形態として、第一の光学結晶と第二の光学結晶を同一ウェハ上にモノリシックに作製しても、別々の結晶で作製したのちに並べても同様の効果を得る事が可能である。
【００１９】
２．3光子もつれ光子対生成デバイスの構成例
パラメトリック波長変換および縮退点動作パラメトリック波長変換をカスケードで動作させる事で、3光子のもつれ生成を行うデバイスを実現する事が可能である。図２は、得られた３光子偏光もつれ光子対生成デバイスおよび波長変換である。偏光もつれ光子対の光子数を3光子とすることで、光子の持つ情報量が向上する。励起光源として波長517 nmのレーザー光を用いると、分極反転デバイスに変換効率が最大となるType 0：eee位相整合を用いた場合、初段および二段目の分極反転周期はそれぞれ7μmおよび19μmとなる。
【００２０】
パラメトリック過程による3光子のもつれ光子対を生成するためには、単一デバイスでは不可能であるため、波長変換の過程を2段階に分けて設計する必要がある。第三の光学結晶でポンプ光から波長がポンプ光の3/2倍となるシグナル光と波長がポンプ光の3倍となるアイドラ光を生成し、上記シグナル光とアイドラ光を第四の光学結晶に導入し当該結晶内でシグナル光から波長がシグナル光の2倍となる2つの光を生成すれば、第三の光学結晶および第四の光学結晶においてポンプ光から波長がポンプ光の3倍となる3つの光を生成した事になり、この3つの光子はもつれ光子対となる。光通信波長帯での3光子のもつれ光子対を生成するためのデバイス設計には、2光子の場合と同様に、（１）式と（２）式を満たすように設計すればよい。また、ここでは実効的な非線形光学定数が最大となるType0のeeeのみについて検討を行う。最終的に生成される3つの光子の波長を1550nmとすると、第三の光学結晶に導入するポンプ光の波長は516.7nmとなる。パラメトリック過程に寄与する3つの光の周波数の関係は既知であり（ωs=3/2*ωp、ωi=3*ωp）、５図は、この時の動作温度と分極反転周期の関係をである。また、第四の光学結晶に導入するシグナル光とアイドラ光の波長はそれぞれ775nmと1550nmであり、図６は、この時の動作温度と分極反転周期の関係である。いずれも動作温度を100℃とすると、必要な分極反転周期はそれぞれ、6.7μmおよび18.7μmとなる。実現の形態として、第1の光学結晶と第2の光学結晶を同一ウェハ上にモノリシックに作製しても、別々の結晶で作製したのちに並べても同様の効果を得る事が可能である。
【００２１】
図８と図９は、実際の2光子偏光もつれ光子対生成装置構成と3光子もつれ光子対生成装置構成である。このような構成をとることで、将来に向けた、量子コンピュータや量子暗号通信の研究開発が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】同一ウェハ上に位相整合タイプとしてつの周期を書き込む事で単一デバイスとして作製した2光子偏光もつれ光子対生成デバイスと入射出射光である。
【図２】パラメトリック波長変換および縮退点動作パラメトリック波長変換をカスケードで動作させる３光子偏光もつれ光子対生成デバイスと入射出射光および波長変換である。
【図３】動作温度を100℃とした時の励起波長に対する分極反転の周期を計算した結果である。
【図４】励起波長を775 nmとした時の動作温度に対する分極反転の周期を計算した結果である。
【図５】３光子偏光もつれ光子対生成デバイスの動作温度と分極反転周期の関係である。
【図６】シグナル光とアイドラ光の波長はそれぞれ775nmと1550nmの３光子偏光もつれ光子対生成デバイスの動作温度と分極反転周期の関係である。
【図７】従来の偏光もつれ光子対デバイスの構造と入射出射光である。
【図８】2光子偏光もつれ光子対生成装置構成である。
【図９】3光子もつれ光子対生成装置構成である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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